بخشی از مقاله
طراحی ساختارهای الگوریتمیک بر اساس مطالعات طبیعی (مورفوژنتیک)
چکیده
در عصر جدید که ساختمانها به شکل فزاینده ای ایستا و دچار رکود شده اند و تبادل آنی داده ها جایگزین شیوه های سنتی حرکت می شود، ایده ی مکان هم به تدریج شکل جدیدی به خود می گیرد. معماری طیف گسترده ای از فـرم هـا را شـامل می شود که آنها را نمی توان به صورت کامل در زبان فرم های اقلیدسی توصیف کرد. برای آنالیز فرم هـای معمـاری واژگـان هندسه طبیعی و فراکتالی مناسب تر است. معماری باید از طریق مدلهای ساماندهی که در هندسه های پیچیده و گونه های فضایی جدید یافت می شوند موقوف به رمزگشایی الگوهای در حال پیدایش سامان اجتماعی شود.
الهام از فرم های بیولوژیکی منبع غنی و ارزشمندی از نوآوری های عصر حاضر است ، که علاوه بـر جهـت دادن طراحـی بـه سوی فرم های سازگار با محیط زیست به ایجاد فرم های خلاقانه می انجامد. طرح های معمـاری الهـام گرفتـه از فـرم هـای طبیعی دارای مزایایی از قبیل پایداری ، پویایی ، رشد و تطبیق پذیری هستند . اجزای هر ارگانیسم زنده تحت تاثیر شـرایط زمینه و بافت مانند بارهای استاتیک و دینامیک یا دسترسی به نور خورشید شکل مـی گیرنـد . در پشـت هـر فـرم طبیعـی پیچیده ای الگوریتمی وجود دارد که هندسه آن را تعیین می کند . فرم های پیچیده هندسه طبیعی و فراکتالی غالبـا دارای ابعاد سازه ای بسیار ساده ای هستند که می تواند الهام بخش فرم های سازه در معماری باشد .
با استفاده از مدل های کامپیوتری امکان کشف الگوریتم های سازماندهی هندسه فرم های طبیعی و خلق فرم های پیچیده و هیجان انگیز که درون آن هندسه ساده سازه آن نهفته است فراهم می شود .
در این مقاله به بررسی الگوریتم های سازمان دهنده هندسه ی ساختارهای معمـاری از طریـق مطالعـات طبیعـی خـواهیم پرداخت و پس از آن نمونه هایی از به کارگیری این تفکر در طراحی سازه های معماری را تجزیه و تحلیل خواهیم کرد.
واژگان کلیدی: الگوریتمیک، الگوتکچر ،گرافیک لاک پشتی، لیندن مایر، مورفوژنتیک
مقدمه
جستجوی فرم های خلاقانه و نوآورانه در طول سالهای اخیر موضوعی جذاب برای معماری معاصر بوده است.در حالیکـه قـرن 21 دوره ی
جدیدی را برای طراحی معماری بوجود آورده است، کامپیوتر نقش بنیادینی را در اولین انعکاسات معماری ـ بـا در نظـر گـرفتن معمـاری
محاسبه ای یا فیزیولوژی ـ در دهه های 1950 و 1960 داشته است. نقش کامپیوتر در طراحی معماری در دو مقوله نهفتـه اسـت. بـرای
بسیاری از طراحان کامپیوتر تنها ابزار پیشرفته ی اجرای برنامه هاست که آنها را قادر به تولید فرم های پیچیده و کنترل بهتر ادراکات آنها ذ
می سازد.
مزیت اصلی معماری الگوریتمیک به خوبی در ارتباطی که بین آزمایشات جزئی امکاناتی که توسـط کـامپیوتر ارائـه مـی شـود و بـازجویی
طبیعت فیلسوفانه در پروسه ی طراحی نهفته است.
طراحی به صورت کامل یک اختراع یا اکتشاف نیست، خلق چیزی کاملا جدید. طراحی باید به عنوان نتیجه ی یک پروسه ی آشکارسـازی
یا دوباره سازی اکتشافی نگریسته شود.
فرم های پیچیده ی هندسه ی طبیعی و فراکتالی غالبا دارای ابعاد سازه ای بسیار ساده ای هستند که می تواند الهام بخش فرم های سازه
در معماری قرار گیرد . کشف الگوریتم های سازمان دهنده ی هندسه ی فرم های طبیعی باعث خلق فرم های پیچیده و هیجان انگیز مـی
شود که دارای مزایایی از قبیل پایداری سازه ای ، انطباق پذیری و ... می باشد .
تا دهه ی 1980 شکافی عمیق بین شکل گیری تکنولوژی های دیجیتال در معماری و ابزار های تولیدی که از کامپیوتر کمک می گیرنـد
وجود داشت. از یک سو ابزارهای تولید دیجیتال قیود بسیاری را که سیستم های طراحی سنتی تحمیل می کردند حذف نمود و استفاده از
فرم های غیر اقلیدسی را راحت کرد و از سوی دیگر کامپیوترها پروسه ی تولید اجزای غیر استاندارد را با سـرعت بـالاتر و دقـت بـالاتری
امکان پذیر ساختند و امکان تولید انبوه ، استفاده از فرم های پیش ساخته و اجزای آن در سایت مورد نظر فراهم آمد . اما هنوز تا دهـه ی
1990 فقدان ابزارهای پارامتریک که اجازه ی مدل سازی دیجیتال را به صورت متقابل بدهد و امکان تغییر مدل و انعطاف پذیری بالاتر را
فراهم کند وجود نداشت . و در نتیجه هنوز هم از کامپیوتر به عنوان یک ابزار طراحی سنتی استفاده می شد. معمار قابلیت تغییر مدل را با
استفاده از تغییر یک شاخصه نداشت و این امر باعث عدم انعطاف پذیری مدل می شد .
معماری آوانگارد امروزه به تقاضاهای اجتماعی با تکنیک های طراحی پارامتریک پاسخ می دهد . در این حالت با یک سبک روبرو هسـتیم
تا با مجموعه ای از تکنیک ها ! ابزارهای طراحی پارامتریک و اسکریپت ها اجازه ی فرمول سازی دقیق و اجرای روابط درهم و بـرهم بـین
عناصر و زیر سیستم ها را می دهد . معماری معاصر سعی دارد منطق جدیدی را پایه گذاری کند که درجات جدیدی از دینامیک بـودن و
پیچیدگی جامعه ی معاصر را ایجاد کند . استفاده از اسکریپت1 ها اجازه ی برنامه ریزی ابزار های طراحی را به فرد می دهد به نحـوی کـه
بتواند از پارامتر های زیادی استفاده کند و طراحی را خلق کند که به پارامترهای فرمال ، عملکردی و محیطی حساس است .
تعریف الگوریتم:2
برخلاف اعتقاد رایج لغت الگوریتم یونانی نمی باشد. اصل آن عربی است و بـر اسـاس یـک کانسـپت بـه ریاضـی دان ایرانـی قـرن هشـتم
"الخوارزمی" نسبت داده شده است.
یک الگوریتم روند نشان یابی یک مساله در تعداد محدودی از مراحل با استفاده از عملیات منطقی اگر آنگاه دیگر است .
الگوریتم پروسه ای کامپیوتری برای نشان دادن مراحل و استخراج قوانین منطقی و سازماندهی مسائل حل شـده اسـت و قابلیـت محـدود
کردن اطلاعات مغز انسان برای ساختن پلان را دارد. کلمه ی الگوریتم همواره با پیچیدگی رابطه ی مستقیم دارد.پاسخ این الگـوریتم نیـز
همواره پیچیده است در حالی که خود پروسه لزوما پیچیده نیست. الگوریتم ها در واقع الگوهایی را ارائه می دهد که طراح را در فهم مساله
و کشف راه حل های جدید یاری می رساند.
یک الگوریتم تنها اجرای کامپیوتری نیست یا یک سری از خطوط کدوار در یک برنامه یا یک زبان،یک الگوریتم همچنین تئوری ساختی با
عمق فیلسوفانه ،اجتماعی ،طراحی و انعکاس هنری است.در طراحی معمارانه، اندیشه ی نوآوری یک قانون راهنما، بدیهی و بنیـادین بـوده
است. مسائلی وجود دارند که راه حل آنها ناشناخته، مبهم یا تعریف نشده است.در این مورد الگوریتم ها ابزار کشف راههای ممکن است که احتمالا به راه حل های بالاقوه می انجامد.
بسیاری از الگوریتم ها شبیه سازی پروسه های طبیعی است و باید آنها را از اختراعات بشر دانست.در این حالت انسان برنامه نویس تنها به ترجمه ی پروسه ی خارجی ذهن انسان می پردازد که همگردانی به زبان کامپیوتر انجام می شود.
مانند الگوریتم ها طراحی نیز می تواند به عنوان یک رشته رویه هایی دیده شود که اتفاقا به سمت انجام یک هدف می انجامد و دوم اینکه الگوریتم ها می توانند به عنوان ابزار های طراحی نگریسته شوند که به تولید کانسپت های نو و جدید، ایده ها یا فرم هـا مـی انجامـد و در ل روشی که طراحان بعد از آن فکر می کنند تاثیر می گذارد.
استفاده از یک الگوریتم یکسان اما با پارامتر های جدید نتیجه ی جدیدی ارائه می دهد که کاملا غیر قابل انتظار است .
تعریف الگوتکچر3
الگوتکچر عنوانی است که برای تفکیک استفاده ی الگوریتم ها در معماری به کار می رود.
در سالهای اخیر الگوریتم ها در معماری قادر بوده اند که نقش خـود را بعنـوان چـارچوب هـای رسـمی سـازی و خلاصـه سـازی افـزایش دهند.این امر تبدیل زبانهای متنی را به برنامه های CAD به صورت گسترده فراهم کرده است. از آنجایی که الگوریتم هـا مزایـای مقیـاس دهی و قلب و تحریف کردن را دارند بنابر این دگرگونی های یک الگو به آسانی از آنها تولید می شود.
معماری الگوریتمیک شامل تخصیص برنامه های نرم افزاری به خلق فرم و فضا از منطق مبتنـی بـر قـانون در برنامـه هـای معمـاری مـی باشــــد.در ایــــن معمــــاری بــــه جــــای برنامــــه ریــــزی مســــتقیم کدســــازی مفــــاهیم طراحــــی از زبانهــــای متنــــی
(بعنوان مثال(Grasshopper,MEL:Maya Embedded Language ,3DMaxScript,Rhino script استفاده می کند. مسائلی وجود دارد که پیچیدگی انها، درجه ی عدم قطعیت، ابهام یا رینج راه حل های ممکن نیازمند ارتباطی کمک کننده بین ذهن بشر و سیستم کامپیوتر است. همکاری های این چنینی تنها از طریق استراتژی های الگوریتمیک که ارتباط متمم و دیالکتیکی را بین انسان و ماشین برقرار می کند امکان پذیر است. قدرت واقعی الگوریتم ها در ترکیب سیستم بشری و سیستم کامپیوتری نهفته است.
با کمک زبانهای برنامه نویسی و ارتباط اسکریپت ها که هر نوع محیط مدلسازی ارائه می دهد رویه های اتوماتیک خلق مـی شـود کـه بـه کاربر این امکان را می دهد که به طرز سریع و موثرتری به راه حل برسد، اگرچه که کامپیوتر قادربه فهم ملاحظات زیبایی شـناختی نمـی باشد، اما این قابلیت را دارد که در لحظه میلیونها محاسبه را انجام دهد و نتیجه ها را مصور کند. با تعریف صحیح مشکلات طراحی برنامه قادر است که با دیتا ها سر و کار داشته باشد و تنها نتایج درست را بعنوان خروجی در اختیار قرار دهد.رویه ای که وقت گیر نبوده و ذهـن معمار به تنهایی قادر به پاسخگویی به آن نخواهد بود.
نوآوری های تکنولوژیکی راههای خلاقانه ای در طراحی معماری فراهم کرده است. مدلسازی سه بعدی در تمام مراحل طراحـی جـایگزین کار با دست شده است، این پیشرفت از آنجا حائز اهمیت است که ذهن بشر گنجایش اندیشدین به فرم های دو بعدی را دارد اما بـا اضـافه شدن بعد سوم الهام بخشی آن به طرح های معماری اولیه و فرمال محدود می شود.
فرایند های طراحی الگوریتمیک
بیان پارامترهای طراحی به صورت مجموعه ای از الگوریتم ها فرمی مشخص را ایجاد می کند . با اسـتفاده از دسـتورات احجـام هندسـی، لوپ4 ها و قواعد دگرگونی می توان تولید ریتم ، تکرار یا تغییر در فرمها نمود . پارامترهای مورد نظر از آنالیز سایت ، تاثیرات نور خورشید ، جاذبه و ... به دست می آید .
در نهایت فرم بدست آمده نتیجه ی مستقیم داده های اولیه و دستورات اعمال شده بر آنها خواهد بـود. از آنجـایی کـه داده هـا بـا توجـه مستقیم به ملزومات عملکردی و یک دسته از قوانین و ضوابط شکل گرفته اند فرم منتج تا حد عالی منطبق با نیازها خواهد بود.
پروسه های مختلفی که در طراحی الگوریتمیک کاربرد دارند عبارتند از:
(1شبیه سازی: شبیه سازی الگوریتمیک مدل حرکتی کاربران فضا برای ارزیابی عملکرد طراحی (2بهینه سازی:استفاده از الگوریتم های تکوینی به منظور بهینه سازی فرم ساختمان (3قلب و تحریف: پروسه های طراحی پارامتری و تغییر پذیری فرم درون سیستم ثابت
(4 دگرگونی:طراحی از طریق ترجمه و تصویر سازی سایت و داده های مبتنی بر ملزومات فضایی (5 ژنتیک:توسعه ی زبان طراحی الگوریتم ژنتیک بر اساس سیستم های لیندن مایر
الگوریتم ژنتیک
این نوع الگوریتم ها با الهام از پروسه ی رشد ارگانیک طبیعت به تولید فرم می پردازند.در این میان سیستم های لیندن مـایر5 بـه عنـوان مترجم بین روابط ارگانیسم های طبیعی و دستورات الگوریتمیک عمل می کنند.
در سال 1968 بیولوژیستی به نام لیندن مایر الگوی رشد ارگانیسم های ساده را مورد بررسی قرار داد و در همان سال شروع به توسـعه ی این سیستم پرداخت. سیستم های لیندن مایر یک گرامر رسمی است که به عنوان تئوری رشد گیاه تصور می شود،این سیسـتم هـا مـی توانند فرم های پیچیده را با قوانین نسبتا ساده تولید کند
تصویر سازی از طریق گرافیک لاک پشتی6
در این سیستم لاک پشتی فرضی دستوراتی را دنبال می کند که حرکت او را تعیین می کند ,مسیر لاک پشت تفسیر مداوم یک رشـته از حروف دستور است. مثال:
استفاده از چنین شیوه ی مدلسازی می توان داده های ریاضی استخراج شده از مورفولـوژی گیاهـان را بـه صـورت فـرم هـای بصری تصویر سازی نمود .
معماری مبتنی بر الگوریتم های طبیعی
ساختار های طبیعی درسـهای زیـادی را بـرای مطالعـات انسـانی دارد.کلیـت فرمهـای طبیعـی نشـان دهنـده ی احسـاس تـوازن فـرم و س
نیروهاست.عدم توجه به عناصر زیبایی شناسی همواره از اشکالات معماری الگوریتمیـک بـوده اسـت. اسـتفاده از شاخصـه هـای هندسـی
ارگانیسم های طبیعی این مشکل را برطرف ساخته و سبب می شود که معماری از همان زیبایی ، ظرافت و پایداری که فرم هـای طبیعـی
داراست، برخوردار شود. ارزش مطالعه ی طبیعت تنها در قدرت الهام بخشی و تاثیرآن نمی باشد بلکه همچنین در مشخصات هندسی آنهـا
نهفته است.اگر این شاخصه ها بتوانند در ارتباط با ریاضیات توصیف شوند می توانند توسعه یافته و یک فرم ساختمانی را بسازند.
در این شیوه پاسخ ها بیشتر علمی است و جوابهای معماران مختلف به یک مساله در عین حال که به مبانی معمار توجـه دارد، در نهایـت
به دلیل علمی بودن به یکدیگر نزدیک می باشد. مورفوژنتیک طراحی فرم است به گونه ای که هـم در سیسـتم هـای بیولوژیـک و هـم در
سیستم های غیر بیولوژیک ظاهر می شود.
برای بهره گیری از قابلیت های هندسی ارگانیسم های طبیعی در پروسه ی طراحـی معمـاری قبـل از هـر چیـز نیازمنـد شـناخت دقیـق
ارگانیسم و اجزای فرعی آن می باشیم.
پروسه ی بررسی ارگانیسم های طبیعی شامل سه مرحله می باشد:
(1توصیف الگوی اتصال اجزای مختلف ارگانیسم
(2بیان کردن پارامتر های معماری ارگانیسم
(3مدل سازی آن
پس از تحلیل پارامتر های معماری ارگانیسم اطلاعات بدست آمده از اجزای آن در یک مدل و سپس به صورت یک رشته از الگوریتم ها که
روابط هندسی فرم آن را تعیین می کند در می آید.
الگوریتم در این مرحله نقش مفسر را دارد و در مرحله ی بعد به وسیله ی الگوهای خاصی به دستورهای یک برنامه تبدیل می شود . ایـن
برنامه سپس توسط نرم افزارهای مدلسازی بسط داده می شود. معماری که اساسا در محیطی متفاوت از ارگانیسـم هـای زنـده اسـت، بـه
پارامترهای بیشتری در طول پروسه ی طراحی در باب فرم خود نیاز دارد. این پارامتر ها ملزومات عملکردی فرمهای معماری را برطرف می
کنند.
